Sociedad Mexicana deIngeniería Geotécnica, A.C.

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica

Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo

Evaluación de riesgos naturales en sistemas geotécnicos Natural hazards evaluation in geotechnical systems

Evanaan RESTREPO1, Francisco CORREA2 y Rodrigo GONZALEZ3

1Consultant Engineer, SRK Consulting (Chile), e-mail: erestrepo@srk.cl2Senior Geotechnical Engineer, SRK Consulting (Chile), e-mail: fcorrea@srk.cl

3Senior GIS Analyst-Head of Geomatic, SRK Consulting (Chile), e-mail: rgonzalez@srk.cl

RESUMEN: Las actuales necesidades de infraestructura han presionado el desarrollo de proyectos en zonas vulnerables ante la ocurrencia de desastres naturales. Este escenario de amenaza debe enmarcar estas obras hacia un panorama general de riesgo con el cual, evaluar la viabilidad técnica del proyecto y determinar sus elementos de mitigación y control. La valoración de la amenaza como elemento constitutivo del riesgo, requiere de una metodología lo suficientemente flexible que incorpore simultáneamente la experiencia del observador y los modelos matemáticos que describen su comportamiento. Para este efecto se construye una matriz de amenaza a partir de una detallada descripción de los factores que detonan el fenómeno (modelo causa-efecto). Una metodología vista desde este contexto permite mejorar la asignación de la severidad del fenómeno e incorporar elementos que mejoren su conocimiento y entendimiento. Se presenta un ejemplo de aplicación para establecer el panorama general de riesgo para el portal de un túnel y obras anexas ubicado en los Andes Chilenos. Los resultados obtenidos destacan la cartografía geológico-geotécnica de detalle como la principal herramienta para la valoración del riesgo puesto que permite: i) una adecuada asignación de la magnitud y ii) obtener un mejor conocimiento de los elementos que determinan su ocurrencia.

ABSTRACT: The current infrastructure needs have pushed the development of projects in areas vulnerable to natural disasters. This new scenario of hazard must frame these projects towards an overview of risk that evaluates the technical feasibility of the project and determine elements of mitigation and control. The threat assessment as a constituent element of risk requires a methodology flexible enough to incorporate simultaneously, the observer's experience and mathematical models that describe its behavior. To this effect, a diagram of threat is built from a detailed description of the factors that trigger the phenomenon (model cause-effect). A methodology viewed from this context, allows the improvement of the allocation of the phenomenon’s severity and incorporate elements that enhance its knowledge and understanding. An example of application is presented to establish an overview of the risk for a portal of a tunnel and related works located in the Chilean Andes. The results highlight the detailed geological and geotechnical mapping as the main tool for risk assessment because it allows: i) an appropriate allocation of the magnitude and ii) better knowledge of the elements that determine their occurrence.

1 INTRODUCCIÓNLa necesidad de establecer la factibilidad para el

desarrollo de proyectos geotécnicos ha generado en años recientes, un creciente desarrollo de las metodologías para la evaluación del riesgo, debido principalmente a que las áreas de construcción se encuentran en zonas altamente susceptibles a la ocurrencia de desastres naturales. Estas metodologías básicamente han profundizado en nuevas formulaciones para el análisis y tratamiento integral de datos a través de Sistemas de Información Geográfica (SIG) (Chau et al, 2003; Londoño, 2007; Metternicht, 2005). Son sin duda los resultados obtenidos a través de estas metodologías, valiosos elementos para la determinación del nivel de riesgo del sistema estudiado. Sin embargo, estas metodologías aún

presentan deficiencias en la identificación, descripción e influencia de las amenazas naturales asociadas a un sistema geotécnico debido a la: i) ausencia de un panorama integral que estudie aquellos factores que constituyen un escenario de riesgo y ii) deficiencia para determinar la valoración del riesgo asociado al sistema geotécnico estudiado. Resulta cada vez más importante desarrollar técnicas y metodologías para entender la interacción entre los procesos naturales y humanos como un sistema dinámico de alta complejidad.

La ecuación aceptada para la valoración del riesgo (GTZ, 2004) conjuga la identificación del fenómeno natural con incidencia sobre el sistema estudiado (amenaza) y la susceptibilidad del sistema geotécnico ante la ocurrencia del fenómeno (vulnerabilidad). Dentro de este concepto, es la

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2 Título del trabajo

amenaza (que) constituye el elemento de mayor incertidumbre debido a la erraticidad, heterogeneidad y complejidad de los elementos que constituyen los procesos naturales.

Un análisis de amenaza consiste en identificar los mecanismos generadores y cuantificar su ocurrencia espacio temporal y su intensidad (Fell, et al., 2005).

La evaluación y cuantificación de las amenazas se realiza comúnmente a través de dos métodos: Métodos cualitativos: establecen la severidad de la amenazas a partir de las observaciones realizadas a través de sensores remotos e inspecciones de campo y Métodos cuantitativos: evalúan el nivel de amenaza a través de modelos matemáticos (determinísticos o probabilísticos) que describen el comportamiento del fenómeno estudiado. Cada método posee sus ventajas y desventajas y la selección de un método depende del objetivo de estudio, la escala de estudio y los datos disponibles. Una revisión detallada de los métodos existentes pueden encontrarse en Aleotti and Chowdhury (1999) y Crozier and Glade (2004).

En este estudio se presenta un ejemplo de evaluación de amenaza a partir del Método Suizo (Raetzo et al, 2002) que agrupa los beneficios de ambos métodos (cualitativo y cuantitativo), utilizando una matriz de amenaza que relaciona la severidad del fenómeno y su probabilidad de ocurrencia por unidad de tiempo.

El sistema geotécnico evaluado lo constituye el portal de entrada de un túnel de conducción de agua, la plataforma de acceso y los caminos asociados al proyecto. Estos elementos se encuentran ubicados en un valle glaciar ubicado en la Región del Maule, centro-sur de los Andes Chilenos.

De esta aplicación fue posible construir el panorama de riesgo del sistema geotécnico en mención, destacándose las siguientes necesidades: 1) aplicación de la cartografía geotécnica para la asignación de magnitud, 2) mejorar el conocimiento de los elementos que determinan la probabilidad de ocurrencia y 3) incluir modelos que consideren las incertidumbres dentro de la asignación del nivel de amenaza. Una metodología vista desde este contexto, permite mejorar la asignación de la severidad del fenómeno e incorporar elementos que mejoren el conocimiento y entendimiento de los fenómenos naturales estudiados para un adecuado manejo y administración del riesgo.

2 METODOLOGÍALa base metodológica de este estudio es el

análisis de riesgo (amenaza X vulnerabilidad) bajo la premisa del sistema causa-efecto. Esta premisa considera como causa, los agentes detonantes del

fenómeno. El efecto está referido a la interacción entre el fenómeno y el elemento antrópico objeto de estudio (sistema geotécnico). En la práctica, esta metodología es aplicable a todos los fenómenos generadores de amenaza.

El análisis de las causas se efectúa mediante la recopilación y procesamiento de información a través de un Sistema de Información Geográfica (SIG). Esta recopilación incluye la obtención de datos preexistentes y los tomados directamente en terreno.

Las amenazas identificadas dentro del sistema de estudio fueron: i) avalanchas de nieve, ii) deslizamientos, iii) caída de rocas y iv) avenidas torrenciales.

2.1 Criterios de análisisLa severidad del proceso y el panorama general

de amenaza se determinan a través de un sistema causa-efecto en el cual, se caracterizan cada una de las amenazas identificadas en el área de estudio. De este modo, el criterio de análisis para la evaluación depende de la amenaza estudiada.

El sistema causa-efecto, permite una asignación efectiva a la valoración de amenaza. Su estructuración se fundamenta en la observación detallada del entorno del sistema evaluado. De este modo, durante la observación el profesional identifica las amenazas y agentes detonantes, así como los posibles efectos sobre las personas u obras evaluadas.

La fortaleza de un modelo bajo la perspectiva de un sistema causa-efecto, es que el análisis SIG, es alimentado con datos, apreciaciones y verificaciones de terreno, con lo cual, no se limita expresamente a un tratamiento de datos. Se presenta a continuación ejemplos de aplicación del sistema causa-efecto para los dos procesos más críticos identificados en la cuenca: i) Avalancha de nieve y ii) Caída de bloques.

2.1.1Sistema Causa-Efecto: AvalanchaEl proceso avalancha describe e identifica el fenómeno por el cual se produce caída de grandes masas de nieve desde la parte alta de la ladera. Los procesos detonantes del fenómeno, consideran parámetros: geomorfológicos (pendiente, forma, y rugosidad), climáticos (precipitaciones y temperatura), físicos (densidad y espesor del manto de nieve), sísmicos (aceleraciones máximas) y Antrópicos (Figura 1).

2.1.2Sistema Causa-Efecto: Caída de bloquesEl proceso de caída de bloques describe e

identifica el fenómeno por el cual se produce desprendimiento de fragmentos de roca y su desplazamiento a lo largo de una ladera. Los

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criterios que se tienen en cuenta para el análisis de caída son (Figura 2): geomorfología (pendiente, forma, y rugosidad), clima (precipitaciones y temperatura), físicos (origen y características del material), sísmicos (aceleraciones máximas) y antrópico.

Avalancha

de nieve

GEOMORFOLOGÍA

AGENTES DETONANTES

CLIMA

CONDICIONES DE NIEVE

SISMO

Avenidas torrenciales

EFEC

TOS

Lesiones graves o fatales

Taponamiento de caminos

Daños de maquinaría o vehículos

FACTOR ANTRÓPICO

CA

US

AS

Figura 1. Sistema Causa-Efecto - Avalancha.

Caída de

bloques

GEOMORFOLOGÍAAGENTES DETONANTES

CLIMA

SISMOPROCESOS MORFODINÁMICOS

Avenidas torrenciales

EFEC

TOS

Lesiones graves o fatales

Taponamiento de caminos

Daños de maquinaría o vehículos

FACTOR ANTRÓPICO

CA

USA

S ORIGEN Y CARACTERÍSTICAS DEL MATERIAL

Figura 2. Sistema causa-efecto - Caída de bloques.

2.2 Matriz de amenazaCon el objetivo de garantizar la uniformidad y

homogeneidad en el criterio de evaluación de las diferentes amenazas identificadas, se empleó la metodología propuesta por Raetzo et al., (2002)- Método Suizo (Figura 4). Para valorar el nivel de amenaza, en esta matriz se relaciona magnitud y frecuencia, definiendo las siguientes categorías de

amenaza: i) Alta: personas u obras están sometidas a sufrir daño en su integridad en eventos de gran magnitud y frecuencia baja o daño principalmente a personas en eventos de poca magnitud y frecuencia alta, ii) Moderada: personas pueden sufrir daño fuera de edificios u obras, pero las obras sólo estarían sometidas a daños menores y iii) Baja: personas están sometidas a lesiones por fuera de las estructuras.

Figura 4. Matriz de amenaza, Tomada Raetzo et al., 2002.

2.3 Procesamiento SIGEl procesamiento SIG provee la capacidad de

compilar, analizar, simular y evaluar datos alfanuméricos multidimensionales con diferentes fuentes y formatos. La representación del terreno es fundamental para este tipo de análisis, para lo cual se contó con imágenes satelitales, ortofotos, fotos aéreas y topografía de detalle. Se construyó un Modelo Digital de Terreno (DEM) con resolución 1 m, del cual se derivaron diferentes variables tipo raster para establecer las condiciones de pendiente, rugosidad y forma de la cuenca. Estas variables fueron reclasificadas a partir de las características de los procesos morfodinámicos existentes y como resultado fueron generados nuevos rangos de ponderación definida, dependientes del fenómeno de amenaza evaluado.

Para la evaluación de amenaza total del sistema se realizó un álgebra de mapas donde se otorga un peso a cada fenómeno de amenaza identificado. El peso asignado depende de la severidad y frecuencia del proceso determinado a partir de: i) observaciones en terreno, ii) modelaciones y iii) experticia del profesional. Para el sistema evaluado en este estudio, se otorgó el mayor peso a los fenómenos de avalancha y caída de rocas, dado que representaban las mayores magnitudes y frecuencias comparativamente con los fenómenos de movimientos en masa y avenidas torrenciales.

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4 Título del trabajo

El resultado de este proceso se ingresa al SIG con lo cual se consolida una herramienta para la Evaluación de Amenaza Geológica (EAG) denominado EAG-SIG (Figura 3). La evaluación del

riesgo se generó con algebra de mapas, utilizando la capa de vulnerabilidad (basada en los costos humanos y físicos de la obra) y de amenaza total.

Figura 3. Modelo para la Evaluación de Amenaza Geológica a través de Sistema de Información Geográfica (EAG-SIG).

3 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO El área de estudio se encuentra en una sub-

cuenca (Cajón Lo Aguirre Chico) perteneciente al sistema hídrico del rio Maule (VI Región), aproximadamente a 130 km al SE de la ciudad de Talca (centro-sur de Chile), a una altura aproximada de 2050 m.s.n.m. Los elementos de estudio corresponden al portal de entrada de un túnel de conducción de agua potable, una plataforma donde se instalará la faena de construcción y los caminos de acceso. Sobre la plataforma se ubicarán las zonas de oficina, estacionamientos, casino, talleres, entre otros, que además de la disposición de

maquinaria, tendrá alto tráfico de personal en la etapa constructiva.

3.1 Características físicas del área de estudioEsta cuenca tiene características de un valle

glaciar, con su perfil típico en “U”. El contexto geológico regional incluye principalmente rocas volcánicas y sedimentarias, con edades entre Triásico Superior y Cuaternario, además de rocas intrusivas de variada composición y extensión, emplazadas entre el Mioceno y el Pleistoceno (Muñoz & Niemeyer, 1984).

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El basamento se encuentra suprayacido por depósitos: i) morrénicos antiguos, ii) ladera (flujos de lodos, escombros y talus) y iii) aluvio-torrenciales. Estos han suavizado el paisaje, sirviendo como relleno central de la cuenca.

La cuenca ha estado sometida a procesos morfodinámicos de mediana intensidad. Se reconocen geoformas asociadas a sendas de avalancha, circos glaciares antiguos y coronas de deslizamientos. Las características de las laderas están evidentemente asociadas a los materiales presentes, en general, las pendientes bajas a medias están asociadas a las zonas cubiertas por depósitos y las pendientes altas a escarpadas a los frentes erosivos en roca y a los diques que sobresalen del terreno.

4 APLICACIÓN

El proceso de EAG-SIG, integra las ventajas de cómputo del SIG y la evaluación geológico-geotécnica del lugar y con ello es posible construir un panorama general de amenaza. Bajo este precepto, las amenazas identificadas en el Cajón Lo Aguirre Chico, se estructuraron con base en el sistema causa-efecto y los criterios de análisis definidos a través del mismo. A continuación se presentan los ejemplos de aplicación para los procesos de avalancha y caída de bloques.

4.1 AvalanchaEn el área de interés se estableció que la

influencia de la geomorfología, clima y la condición de la nieve, son los parámetros que definen el nivel de amenaza por la ocurrencia de este proceso.

Dentro del aspecto geomorfológico se consideró: pendiente, forma y rugosidad de la senda de avalancha. Para la pendiente, se evaluaron tres rangos relacionados directamente con el potencial de acumulación de nieve y generación de avalanchas (Tabla 1).

Tabla 1. Rangos de pendiente vs potencial de acumulación y caída (Geoestudios, 2003).________________________________________________________________________________________________________Rango Pendiente Acumulación/ ocurrencia de avalancha________________________________________________________________________________________________________Rango 1: (0-23)° alta/Inusual, excepto al inicio de primaveraRango 2: (23-50)° media/mayor probabilidad de ocurrenciaRango 3: (50-90)° baja/Casi nula*________________________________________________________________________________________________________(*) Sólo se presenta por caída de nieve acumulada en cornisas.

La forma y rugosidad del terreno, son parámetros que están relacionados con el potencial de retención del manto de nieve. En general, se considera que los terrenos cóncavos y rugosos tienden a tener mantos más espesos.

Los datos meteorológicos se consideran el principal insumo para la valoración de avalanchas.

Cuando esta información es completa se pueden realizar buenas estimaciones acerca de los espesores de nieve esperados en una cuenca (magnitud), así como los períodos de retorno asociados a estos espesores (frecuencia). Por lo general, esta situación no es común en el contexto Latinoamericano, por lo que la mayoría de asignaciones de espesor están basadas en correlaciones y experiencia del evaluador.

En el Cajón Lo Aguirre Chico los meses de mayor precipitación están comprendidos entre abril y septiembre. Con una probabilidad mayor a 50%, se tendrían años con una precipitación sólida mayor a 13 m en todo el período invernal y años en los cuales las precipitaciones mensuales podrían superar los 6 m de nieve precipitada. De acuerdo a lo anterior el área estaría sometida constantemente a procesos de avalancha, considerando que se generarían los mantos necesarios (sobre 0.5 m de espesor) para detonar el fenómeno.

4.2 Caída de BloquesEn el área de interés se determinó que la

influencia de la geomorfología, el clima y el origen y características de los materiales, son los parámetros determinan el nivel de amenaza por este fenómeno.

Dentro de la geomorfología se evaluó: pendiente, forma y rugosidad de la ladera. Para el parámetro pendiente, se evaluaron tres rangos directamente relacionados con el potencial de caída y avance de un bloque de roca (Tabla 2). Específicamente, el rango 3 se considera crítico en el análisis, puesto que la mayoría de las obras se ubican en áreas planas.

Tabla 2. Rangos de pendiente y potencial de caída._______________________________________________________________________________________________________Rango Pendiente Ocurrencia de caída_______________________________________________________________________________________________________Rango 1: (90-45)° sectores de desprendimiento de rocaRango 2: (45-15)° sectores de descenso Rango 3: (15-0)° sector de detención de los bloques_______________________________________________________________________________________________________

La forma y rugosidad de la ladera condiciona la distancia de recorrido de un bloque. Laderas homogéneas, sin cambios geomorfológicos bruscos favorecen un desplazamiento mayor.

La lluvia, los cambios de temperatura, el viento y el agua de escorrentía superficial provocada por épocas de derretimiento de nieve, son los agentes modeladores del relieve que modifican las condiciones del material de soporte de los bloques susceptibles al movimiento. El origen y características de los materiales pertenecientes a la ladera determinan las probables áreas de aporte de bloques con potencial de caída.

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5 RESULTADOS

Como resultado de la evaluación, se obtuvo un panorama de la amenaza total a la que está sometida la cuenca. Como se mencionó anteriormente los fenómenos de avalancha y caída de bloques son los que tienen mayor incidencia en la cuenca de estudio y una importante influencia en el área del portal y plataforma de construcción asociada.

En el sector se identificaron dos sendas de avalancha con potencial de generar procesos de gran magnitud, así mismo se identificaron una serie de afloramientos rocosos que constituyen una fuente de aporte de bloques con potencial de caída. La Figura 4 muestra el panorama general de riesgo, referido a todos los factores de amenaza identificados en el área de estudio.

Figura 4. Resultado de evaluación de Riesgo.

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6 CONCLUSIONESA través de la aplicación del Método Suizo y del

sistema causa-efecto, fue posible definir un panorama de amenaza ajustado a las condiciones actuales del terreno para la evaluación de riesgo en el sistema geotécnico objeto de estudio. Esta metodología es una, dentro de múltiples visiones existentes en el estudio de riesgos. Algunas de estas se basan en el análisis matemático de datos históricos, físicos y la combinación de capas bajo plataformas SIG, otros se basan en análisis geoespaciales mediante sensores remotos. Cada una exhibe fortalezas y desventajas al momento de la cuantificación de la amenaza en un sistema geotécnico dado. Sin embargo se debe tener en cuenta que toda metodología que pretenda la descripción de un sistema natural, debe incluir además de un fuerte componente computacional y análisis matemático, un contacto directo con la situación real en el campo. El empleo conjunto de están técnicas permite obtener un panorama general de riesgo ajustado a la dinámica del sistema estudiado.

REFERENCIAS

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